Shi Yusheng教授のトップジャーナルレビュー：付加製造技術とメタマテリアルの開発動向！

出典: 積層造形技術フロンティア

メタマテリアル（MM）とは、自然素材にはない特殊な物理的特性（電磁/音響遮蔽、ゼロ/負のポアソン比、負の屈折率など）を備えた人工構造または複合材料を指します。これらのユニークな物理的特性は、慎重に設計された（準）周期構造または複数の材料の組み合わせによって実現でき、防衛産業や人々の生活分野で幅広い応用の見通しがあります。積層造形技術は複雑な構造を作製する上で大きな利点があり、メタマテリアルを作製するための有効な技術手段を提供します。このため、華中科技大学の石宇勝教授のチームは「Materials Today」（IF=31.041）に論文を発表し、メタマテリアルの積層造形技術と開発動向について議論し、エンジニアリング機械、航空航行、バイオメディカルにおけるメタマテリアルの応用のアイデアを提供しました。具体的な状況は次のようにまとめられています。

1. メタマテリアルの分類を明確化<br /> 近年、メタマテリアルは科学研究者からますます注目を集めており、異なる物理的特性を持つさまざまなメタマテリアルが設計されています。メタマテリアルの機能の違いにより、メタマテリアルは、電磁メタマテリアル、音響メタマテリアル、熱メタマテリアル、機械メタマテリアルの4つに大別されます。上記の4つのメタマテリアルは、具体的な原理と応用分野により、さらに（1）電磁ステルスメタマテリアル、電磁吸収メタマテリアル、テラヘルツ電磁メタマテリアルなど、（2）音響ステルスメタマテリアル、音波吸収メタマテリアル、音波集束メタマテリアルなど、（3）熱流制御メタマテリアル、熱ステルスメタマテリアル、熱放射メタマテリアルなど、（4）エネルギー吸収メタマテリアル、負のポアソン比メタマテリアル、最大体積弾性率メタマテリアルなどに細分されます（図1を参照）。
図1. メタマテリアルの分類と代表的な構造
2. 積層造形における各種メタマテリアルの研究状況と開発動向を指摘する<br /> 成形材料の形状に応じて、積層造形プロセスは、フィラメント、粉末、液体、シートの形態に分けられます。適用可能な材料には、金属、ポリマー、セラミック、およびそれらの複合材料が含まれます。成形サイズはナノメートルからメートルレベルまでの範囲で、ほとんどのメタマテリアルの成形精度とサイズの要件を大幅に満たすことができます。ただし、積層造形技術によって特性が異なり、成形材料、サイズ、解像度、表面品質も大きく異なることに注意する必要があります。メタマテリアルの積層造形では、図 2 に示すように、必要な材料の構造と特性に基づいて適切なプロセスを選択する必要があります。

図 2. さまざまなサイズのメタマテリアルを形成する際の一般的な積層造形プロセスの特徴。三角形、円、四角形はそれぞれ最大部品サイズ、最小部品サイズ、成形解像度を表します。記号の位置は波長に対応するサイズを表し、2 つの記号間の距離はさまざまな積層造形技術で実現可能なユニット数を表します。
3. 3Dプリントされた5モードメタマテリアル<br /> ペンタモードメタマテリアル (PMM) は、ペンタモード構造とも呼ばれ、弾性マトリックス内の 1 つの固有値のみがゼロでない特殊なタイプのエンジニアリング構造です。従来の格子構造と比較して、5 モードメタマテリアルは設計性が優れ、流体のような特性と複数の物理的特性を調整する能力を備えているため、より幅広い応用価値を持っています。しかし、ペンタモードメタマテリアルの形状は非常に複雑なため、従来の製造プロセスで実現するのは困難です。このため、研究チームは近年、積層造形技術を利用して5モードメタマテリアルを形成し、ハニカム構造とダイヤモンド格子配置を基礎として、均質化等価性能法を通じて、幾何学的パラメータが機械的特性に与える影響と、構造設計が機械的および質量移動性能に及ぼす協調制御メカニズムを導き出し、2次元ハニカム5モードメタマテリアルと3次元ダイヤモンド5モードメタマテリアルの2種類の5モードメタマテリアルを設計・製造した。5モードメタマテリアルは水に似た音響特性を持ち、「ステルス」効果があり、水中音響工学分野で大きな応用展望がある。さらに、3次元5モードメタマテリアルの形状を最適化することで、弾性率、強度、透過性の間の結合関係を切り離すことができ、機械的特性と質量移動特性の協調制御を実現できるため、バイオスキャフォールド工学の分野で大きな応用可能性を秘めています。

図3. 積層造形された5モードメタマテリアル。 2次元5モードメタマテリアル（AB）構造構成と単位セル、（C）分散曲線、（D）音響場シミュレーション、（EF）理論的な機械力分析結果、（G）相対弾性率と（H）相対強度と相対密度の関係曲線、3次元5モードメタマテリアル（ab）構造構成と単位セル、（c）圧縮応力-ひずみ曲線、（d）圧縮弾性率と体積分率の関係、（eg）異なる構成のメタマテリアルの質量移動プロセスの速度分布雲図、（h）複合5モードメタマテリアルバイオスキャフォールド構造積層造形メタマテリアルの研究は一定の成果を上げていますが、より良い結果を得るためには解決すべき科学的問題がまだ多く残っています。メタマテリアルの設計に関しては、まず、メタマテリアルの次元を2次元から3次元に拡張する必要があります。既存のMMは主に2次元設計を採用しており、良好なシミュレーションと実験結果を達成できます。しかし、実際のアプリケーションでは、2次元メタマテリアルの機能は、2次元平面に垂直な方向では完全に機能しません。次に、メタマテリアルの異方性を低減して、異なる方向で同じ機能を持つようにする必要があります。最後に、音波吸収とエネルギー変換の機能を同時に持つなど、複数の機能を備えたメタマテリアルを設計できます。積層造形技術においては、第一に、メタマテリアルのマルチマテリアルシステムにおける異種材料の成形ニーズを満たすために、大きく異なる特性を持つ材料を同時に成形できるマルチマテリアル積層造形技術を開発する必要がある。第二に、サポートの除去に悩まされることなく、メタマテリアルの複雑な構造が十分な成形精度を持つことを保証するために、簡単に取り外し可能なサポート材料を開発する必要がある。第三に、積層造形技術における成形精度と成形サイズの矛盾を解決し、製造精度を向上させながら大型のメタマテリアル部品を成形する必要がある。

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